兩年前推出的Alder Lake處理器可以說是英特爾的一次重大的技術革新，這是混合架構x86處理器首次大規模推向消費市場，它和它的後繼者Raptor Lake可以說是相當成功的產品，也為後續產品打下基礎。年末推出的Meteor Lake架構酷睿Ultra是英特爾今年最重磅的產品，它採用分離式模塊架構，由四個獨立的模塊組成，並通過Foveros 3D封裝技術連接，其計算模塊首次採用Intel 4製程工藝打造，使Meteor Lake成為英特爾史上能效最高的客戶端平台。
同時Meteor Lake是英特爾首款內置神經網絡處理單元NPU的CPU，新一代處理器主打的就是AI人工智慧，讓PC進入AI時代，全新的處理器通過踐行XPU戰略，為高能效AI PC做出了進一步創新。
接下來我們來快速的看下組成Meteor Lake的四個模塊：
計算模塊採用最新的Intel 4製程工藝，包含6個P-Core與8個E-Core，性能核架構升級至Redwood Cove，能效核升級至Crestmont架構，依然使用環形總線。
SOC模塊里麵包含了全新的低功耗島E-Core，用與新型低功耗負載，進一步優化節能與性能間的平衡。NPU也整合在SOC模塊內，還有包括一些常規的連接模塊，Wi-Fi 6E和藍牙模塊是整合在SOC模塊內的，如果想用Wi-Fi 7則需要外接，以往整合在核顯里面的媒體處理計算單元現在也整合到了SOC模塊內，還包含顯示輸出單元和記憶體控制器，支持8K HDR和AV1格式的視頻編解碼，支持HDMI 2.1與DP 2.1的視頻輸出，這個SOC模塊就相當於一個迷你的小CPU。
圖形模塊採用了Intel最新的ARC圖形架構，Meteor Lake能夠提供上一代兩倍的圖形性能，能夠在核顯中提供獨顯級別的性能，支持光線追蹤，有更全面的DX12功能集。
IO模塊就如它的名字那樣是用來提供IO擴展的，內部整合了Thunderbolt 4和PCIe 5.0控制器，還有視頻輸出的物理層也在IO模塊里面，為IO擴展提供了非常好的靈活性。
酷睿Ultra處理器最多擁有6P+8E+2LPE，共22線程，最高睿頻5.1GHz，支持LPDDR5/5x-7467和DDR5-5600記憶體，前者最大容量64GB，後者則能到96GB。處理器提供8條PCIe 5.0和20條PCIe 4.0，當中IO模塊提供了8條PCIe 5.0和8條PCIe 4.0，SOC模塊則提供了12條PCIe 4.0。接口方面，支持DP 2.1和HDMI 2.1視頻輸出，提供多達4個Thunderbolt 4接口，2個USB 3和10個USB 2，還有兩個SATA 3.0口，接口相當豐富。
來看具體產品，首款酷睿Ultra處理器包括H和U後綴的產品各四款，其中H系列的最多6P+8E+2LPE，最頂級的型號是酷睿Ultra 7
165H，最大睿頻5.0GHz，配備Intel Arc GPU，擁有8組完整的Xe核心，而酷睿Ultra
5的少兩個P-Core，只有4P+8E+2LPE，核顯也只有7組Xe核心。
值得注意的是現在酷睿Ultra
7/5的H系列處理器基礎功耗是28W，它的定位其實更接近上代的P系列，主要是針對輕薄本的，最大睿頻功耗有64W和115W兩檔，具體看OEM廠家怎麼設計產品，如果廠商是按28W基礎功耗去設計產品的話，最大睿頻功耗就是64W，如果按38W或40W去設計產品的話，最大睿頻功耗則是115W。
U系列的處理器應該是換了計算和圖形模塊，最多隻有2P+8E+2LPE，GPU也只有4組Xe核心，四款產品全部都只有頻率上的差別，最頂級型號是酷睿Ultra
165U，最大睿頻4.9GHz，基礎功耗15W，最大睿頻功耗57W，需要指出的是，U系列不支持PCIe 5.0，但PCIe通道數量和H系列一樣。
2024年第一季度還會推出頂級的酷睿Ultra 9
185H，最大睿頻提升至5.1GHz，為了提供更好的性能它的基礎功耗直接被設置為45W，最大睿頻功耗115W。另外還有兩款U系列的產品，它們的最後一位數字從5變成了4，最大區別在記憶體支持上面，它們只支持LPDDR5/5x-6400記憶體，最大記憶體容量64GB。
Intel 4和Foveros封裝
根據IDM 2.0戰略，英特爾計劃在四年內實現五個製程節點，而Intel 4處於計劃中的第二個節點，Intel 4將採用了EUV（極紫外）光刻技術，可使用超短波長的光，改善良品率和面積微縮，從而實現高能效，而且可應用EMIB和Foveros封裝技術，相比Intel 7可提供翻倍的電晶體密度，也為接下來的Intel 3奠定基礎。目前正在開發過程中的Intel 3將帶來密度更高的設計庫，增加驅動電流的電晶體並降低通孔電阻，其將更多地使用EUV光刻技術。
與Intel 7相比，Intel 4實現了兩倍的面積微縮，帶來了高性能邏輯庫，並引入了多個創新，包括引入EUV光刻技術，大幅簡化了互連架構的製程工藝，同時還支持微縮，使得Intel 4中的掩碼減少了20%，工藝步驟減少了5%；針對高性能計算應用進行了優化，可支持低電壓（＜0.65V）和高電壓（高於1.1V）運行，相比Intel 7，Intel 4的ios功率性能提高了20%以上；另外高密度（金屬-絕緣體-金屬）電容器實現了卓越的供電性能。
Meteor Lake的各獨立模塊將通過Foveros先進封裝技術連接，利用高密度、高帶寬、低功耗互連，能夠把多種製程工藝製造的諸多模塊組合成大型分離式模塊架構組成的晶片復合體。
Foveros先進封裝具有諸多優勢，包括36u凸點間距，跡線寬度小於1微米；凸點密度提高近8倍；跡線長度小於2毫米；160GB/s/mm帶寬；功耗小於0.3 pJ/位。相比於Raptor Lake，Meteor Lake通過Foveros先進封裝使得低功耗晶片互連最大限度地減少分區開銷，同時小區塊提高了晶圓良率，初制晶圓更少，而且能夠為每個區塊選擇理想的矽工藝。
計算模塊
計算模塊採用了最新的Intel 4工藝製造，採用了EUV（極紫外）光刻技術，可使用超短波長的光，改善良品率和面積微縮，從而實現高能效，而且可應用EMIB和Foveros封裝技術，相比Intel 7可提供翻倍的電晶體密度，也為接下來的Intel 3奠定基礎。
與Intel 7相比，Intel 4實現了兩倍的面積微縮，帶來了高性能邏輯庫，並引入了多個創新，包括引入EUV光刻技術，大幅簡化了互連架構的製程工藝，同時還支持微縮，使得Intel 4中的掩碼減少了20%，工藝步驟減少了5%；針對高性能計算應用進行了優化，可支持低電壓（＜0.65V）和高電壓（高於1.1V）運行，相比Intel 7，Intel 4的ios功率性能提高了20%以上；另外高密度（金屬-絕緣體-金屬）電容器實現了卓越的供電性能。
而Meteor Lake的獨立模塊將通過Foveros先進封裝技術連接，利用高密度、高帶寬、低功耗互連，能夠把多種製程工藝製造的諸多模塊組合成大型分離式模塊架構組成的晶片復合體。
Foveros先進封裝具有諸多優勢，包括36u凸點間距，跡線寬度小於1微米；凸點密度提高近8倍；跡線長度小於2毫米；160GB/s/mm帶寬；功耗小於0.3 pJ/位。相比於Raptor Lake，Meteor Lake通過Foveros先進封裝使得低功耗晶片互連最大限度地減少分區開銷，同時小區塊提高了晶圓良率，初制晶圓更少，而且能夠為每個區塊選擇理想的矽工藝。
P-Core架構從前一代的Golden Cove升級成了Redwood Cove，在進一步提升性能的前提下，英特爾很大程度上提升了它的能效比，對分支預測進行了強化，並增加了每個核心的帶寬，L1指令緩存從32KB翻倍到64KB。
E-Core架構Cracemont升級到了Crestmont，新架構IPC性能有所提升，和P-Core一樣改善了分支預測，讓指令執行變得更有效率，提升了E-Core的吞吐能力，寬度分配從5組增加到6組，執行單元的矢量/浮點模塊的指令集有所升級，提升了VNNI指令執行能力，為AI加速做准備。
性能方面，官方做了酷睿Ultra 7 165H在不同功耗下的性能測試，在同20W以上它的多線程性能表現就要優於上代的酷睿i7-1370P，同時還對比了高通驍龍8 Gen3、蘋果M3和AMD銳龍7 7840U，酷睿Ultra 7 165H在同功耗的情況下性能都要優於它們。
同功耗情況下，酷睿Ultra 7 165H的多線程性能比上代酷睿i7-1370P提升了8%，比銳龍7 7840U高出11%。
單線程性能則比銳龍7 7840U高12%，但由於酷睿Ultra 7 165H的最大睿頻只有5.0GHz，而酷睿i7-1370P是能到5.2GHz的，所以單線程性能反而沒上代高，個人推測這是Intel 4工藝還處於較早期階段導致的，實際上最高端的酷睿Ultra 9 185H最大睿頻也只有5.1GHz，和採用Intel 7的Raptor Lake相比確實差點意思，其實新工藝早期階段頻率比不過多次改進後的成熟工藝也很正常，Intel首批10nm處理器頻率就沒當時的14nm處理器高，但新節點工藝的能耗比是肯定比成熟工藝好的所以先推向輕薄本市場。
由於LP E-Core的加入，酷睿Ultra在節能方面是要比對手優秀得多的，酷睿Ultra 7 165H在播放本地視頻或觀看Netflix流媒體視頻時功耗比銳龍7 7840U低了44~48%，桌面空載待機更是低了79%之多，如果有後台活動的話降幅就沒那麼大，但也有36%。
第三代硬體線程調度器
Meteor Lake里面有三種不同的核心，它們在不同的功耗下性能表現是不一樣的，在低於某功率的時候P-Core性能是低於E-Core的，E-Core在低於某功率時性能也不如LP E-Core，如何正確的調度是個難題，所以英特爾把硬體線程調度器升級到第三代。
新的硬體線程調度器增強了對OS的反饋，在其他IP占用功耗的時候，核心的功耗會被動態分配，把這個條件也考慮在內，更加精準的報告整個核心和每個Core的能力。Meteor Lake能夠更准確的去做內部能耗比的評估和判斷，提供更加精確的表格給到OS，不管任何的計算任務都可以在E-Core、P-Core和LP E-Core上做實時轉換，需要性能需要響應速度的時候往P-Core上移，需要降低功耗的時候，就往E-Core甚至是LP E-Core上移。
至於具體到底怎麼做，英特爾和微軟合作對不通的線程負載進行了分類，這是根據線程在P-Core、E-Core以及LP E-Core上運行的IPC來區分的，有Class 0到3四個等級。
Class 0代表P-Core、E-Core在實行這類指令時，每始終周期實行的指令數量基本一致；Class 1代表P-Core執行效率高於E-Core，比如大部分浮點運算，會優先分配給P-Core，如果P-Core不有用也可以分一些給E-Core；Class 2表示P-Core執行效率遠高於E-Core，比如AI運算，這類會必然分給P-Core；Class 3則代表E-Core的執行效率高於P-Core，這類是比較少見的特定程序。
在確定程序的類型後，硬體線程調度器會結合核心當前處理能力對每個核心打兩個分數，一個是高性能(Perf)，另一個則是高能效(EE)，然後匯報給OS，分數最高的就是對系統推薦的核心，以上圖為例，這是一個Class 0線程，如果線程追求性能的話就使用P-Core N，如果線程追求能效的話就使用E-Core N，最終OS就會結合其他的自身條件最終確定把線程分配到哪一個核心上。
下面舉兩個簡單的例子：
1.一個應用要求高性能，它有四個進程被分配到P-Core上了，下一個時間兩個相對輕載的進程配分頻到E-Core上，隨著時間的推移四個P-Core上的進程被執行完了，兩個小進程還在E-Core上，接下來的硬體線程調度器就會建議OS把兩個進程轉移到LP E-Core上，這樣整個計算模塊就可以關掉了。
2.兩個進程在LP E-Core上運行，然後突然進來了四個要求高性能的進程，這時計算模塊開啟，這四個進程被分配給P-Core，這時硬體線程調度器就會建議OS把這兩個輕的進程轉移到計算模塊的E-Core上，這樣就可以更快的執行，同時還可以關閉SOC模塊的內部總線和LP E-Core。
神經網絡處理器NPU
其實現在處理器里面的CPU和GPU都能實現AI運算，然而AI任務也分很多種，而Meteor Lake新引入的NPU則是為了更好的分擔不同的AI任務，讓不同的處理器單元在多種AI任務中實現性能核功耗的平衡：
GPU具有性能並行性和高吞吐量，非常適合在媒體、3D應用程式和渲染管道中引入AI功能。
NPU是一種專用的低功耗AI引擎，用於持續AI運行和AI卸載。
CPU具有快速響應能力，非常適合輕量級、單推理、低延遲的AI任務。
CPU、GPU、NPU都是很合適的AI引擎，有各自不同的特徵，NPU是個專屬的AI低功耗的引擎，適合那些持續性的AI任務，比如進行電話時開啟的AI攝像頭效果就相當適合NPU。
NPU由一個多引擎架構組成，該架構配備兩個神經計算引擎，可以共同處理單一工作負載或各自處理不同的工作負載。在神經計算引擎中，有兩個主要的計算組件：
推理管道：這是高能效計算的核心驅動因素，通過最大限度地減少數據移動並利用固定功能運作來處理常見的大計算量任務，可以在神經網絡執行中實現高效節能。絕大多數計算發生在推理管道上，這個固定功能管道硬體支持標準的神經網絡運作。該管道由一個乘積累加運算（MAC）陣列、一個激活功能塊和一個數據轉換塊組成。
SHAVE DSP：這是一款專為AI設計的高度優化的VLIW
DSP（超長指令字數位訊號處理器）。流式混合架構向量引擎（SHAVE）可以與推理管道和直接記憶體訪問（DMA）引擎一起進行管道化，實現在NPU上並行進行的真正異構計算，從而最大限度地提高性能。
DMA引擎：該引擎能夠優化編排數據移動，實現最高的能效和性能。
NPU的驅動是符合微軟新出的MCDM驅動框架的，所以能夠在任務管理器里面就能夠看到NPU，它就像CPU、GPU一樣能夠在任務管理器顯示它的工作負載，這點和友商是不一樣的。
Meteor Lake的GPU、NPU、CPU都可以承載AI算力，而且可以相互協同工作，以Stable Diffusion負載為例，如果把Unet、VAE都跑在CPU上的時候，在中間Unet上跑20步，花了43秒，功耗是40W。如果全部跑在GPU上，耗時 14.5秒，功耗是37W。如果以把正負Unet中間的部分跑在NPU上，其他的用CPU來跑，時間縮短到20.7秒，功耗降至10W。如果把正向提示詞的Unet跑在GPU上面，負向提示詞的Unet跑在NPU上，用時縮短到11.3秒，因為有GPU的參與，所以功耗為30W。
可見在NPU的介入下，AI負載的功耗大幅下降，整體性能也要優於純CPU或純GPU負載，整體能耗比大幅提升。
隨著NPU的引入，再加上原來的CPU和GPU，酷睿Ultra處理器里就有三個不同的單元可以執行各種AI運算，加起來一共可提供34TeraOPS的算力，而CPU、GPU和NPU的特性各不相同，可以各自分擔不同的AI任務，也可以協同工作，具體看程序怎麼調度。
上面是內容創作者使用較多的AI程序負載，酷睿Ultra 7 165H交上代的酷睿i7-1370P和對手的銳龍7 7840U都有非常明顯的性能優勢，最高可達銳龍7 7840U的5.4倍。
Meteor Lake的CPU、GPU和NPU都有良好的Int8和FP16運算能力，而競品則不是所有模塊都擁有完整的AI運算能力，而且Meteor Lake在不同數據類型下算力都相當優秀，這是基於UL Procyon的AI測試以及SPECrate 2017的測試結果。
SOC模塊
Meteor Lake為了達成高性能計算和低功耗做了重大的架構更改，上圖是Alder Lake和Raptor Lake的框架圖，基本上所有東西都掛在環形總線上，CPU核心、GPU或者媒體引擎要訪問記憶體的時候都要穿過環形總線，對於記憶體訪問來說是一個非常高效的方案。
但在節能方面就不怎麼好了，環形總線上的任何區塊去訪問記憶體的時候，會把一些在該應用場景下不需要的計算單元激活，就會產生較高功耗，比如在流媒體播放時，GPU是不需要被打開的，但是由於這樣的一個結構，使得媒體引起要對記憶體訪問的時候，必須要把Ring整個打開。
在Meteor Lake上為了解決這一問題，Intel把媒體引擎從GPU中剝離，現在GPU在獨立的圖形模塊上，媒體引擎整合在SOC模塊里面，Ring總線現在只用在計算模塊中，SOC模塊有自己的總線，這樣他們之中其中一個要訪問記憶體時，都不需要把別的其他模塊供電激活了。
比如在播放流媒體視頻時，只需要激活記憶體控制器、媒體引擎以及顯示模塊，理論上無需激活GPU與計算單元，以此實現節能的目的。
SOC模塊里面還有兩個LP E-Core，它們的工作頻率非常低，但能效比很高，可以承擔一些對CPU需求較低的負載，比如流媒體播放，這樣就不需要激活計算模塊了。
電源管理也重新進行設計，不同模塊里面都有分立的PMC電源管理控制器在內部，在SOC模塊上面有一個主要的PMC單元，它對整個CPU進行電源管理，通過跟不同模塊上的分電源管理器進行溝通 ，沒負載時可以關閉對應的模塊來節約電力，這個架構為Meteor Lake提供了很多新的電源管理功能，為將來的晶片設計上的電源管理奠定了非常好的基礎。
上圖是Meteor Lake架構SOC模塊的方塊圖，可以看到里面有兩個總線，上面的是的Scalable fabric，也稱為NOC，它的帶寬高達128GB/s，響應速度也很快，夠讓掛在上面的所有的設備去快速、低功耗的訪問整個記憶體。
可以看到外部的計算模塊和圖形模塊也掛在NOC上面，在SOC內部，包括LP E-Core，記憶體控制器、多媒體引擎、顯示模塊、NPU、IPU都掛在NOC總線上。
下面那個總線是IO fabric，外部的IO模塊接在這總線上，SOC內部的PCI-E、SATA、USB、Wi-Fi、乙太網、音頻、傳感器以及兩個負責安全的區塊也連接在這總線上，IO fabric與NOC總線之間由IOC單元進行交互，這兩條總線連接了整個SOC模塊，甚至說它們連接了Meteor Lake所有的關鍵部件。
此外我們可以看到IO模塊和SOC模塊都是有PCIe控制器的，當中IO模塊可以提供8條PCIe 5.0和8條PCIe 4.0，另外還有額外的4個Thunderbolt 4接口，而SOC模塊則可提供12條PCIe 4.0。
利用先行的Foveros封裝技術，模塊間通信帶寬基本就是記憶體級的帶寬，速度相當之快，延遲也很低，是一個非常低功耗、高性能的一個互連結構。
由於SOC模塊引入了兩個LP E-Core，現在一個完整的Meteor Lake是由6個P-Core，8個E-Core和2個LP E-Core所構成，上圖是三種核心的能耗表現，橫坐標是功耗，縱坐標是性能，當功耗低於一定程度的時候P-Core的性能表現就不如E-Core，同理在某個功耗點上LP E-Core的性能表現會優於E-Core，所以硬體線程調度器需要更新。
圖形模塊與媒體單元
Meteor Lake的GPU被移動到獨立的顯示模塊上，用的是Xe-LPG架構，它是在現有Xe-LP核顯架構上發展而來的，並引入了Arc A系列獨顯的一些技術。
除了顯示模塊的GPU外，Meteor Lake的多媒體引擎與顯示引擎都移到了SOC模塊里面，IO模塊上也有顯示的物理層負責視頻信號的輸出。
與上一代的核顯相比，Meteor Lake的GPU擁有更高的主頻，電壓也更低，Xe核心從6個增加到8個，共128個矢量引擎，增長了33%，幾何圖形渲染管線數量翻倍，有更高的像素與采樣能力，並且加入了8個光追單元，現在Intel的核顯也支持光線追蹤了。
各種改進讓核顯性能較上代番了一倍
上圖是酷睿Ultra 7 165H和酷睿i7-1370P同在28W下的實際遊戲表現，最佳情況下遊戲幀率直接翻倍，最低也會提升9%，酷睿Ultra配備的新核心確實能提供更好的遊戲性能。
而這個則是Meteor Lake處理器和銳龍7040處理器的遊戲性能對比，測試了18款遊戲在1080p中等畫質下的表現，酷睿Ultra 7 165H的遊戲性能是要比銳龍7 7840U要好5%的，而酷睿Ultra 7 155H則與對手持平。
多媒體引擎也有升級，現在最高支持8K 60Hz 10bit的HDR視頻解碼以及8K 30Hz 10bit的HDR視頻編碼，支持包括VP9、AVC、HEVC、AV1以及其他的傳統格式。
顯示方面，Meteor Lake支持HDMI 2.1、DP 2.1以及完整的eDP 1.4的輸出規范，解析度最高支持一個8K60 HDR，或者4個4K60 HDR，或者是更高刷新率的1080p或者1440p 360Hz。
總而言之Meteor Lake的改進非常多，新增的LP E-Core是Intel高性能混合架構的首個重大進展，模塊化設計代表著Intel 40年來重大的架構轉變，NPU的引入代表Intel會將AI廣泛引入PC，讓PC進入AI時代，龐大的x86生態系統將提供廣泛的軟體模型和工具。
來源：超能網
